뜨거운 전자 이용해 온실 가스 저감 원리 알아내

금속·산화물 계면에서 발생하는 뜨거운 전자 이용
에너지 전환, 차세대 촉매 개발에 응용 가능

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 뜨거운 전자를 이용해 온실가스 저감 원리를 알아냈다.

한국과학기술원(KAIST)은 박정영 화학과 교수, 정연식 신소재공학과 교수, 정유성 생명화학공학과 교수 연구팀이 차세대 고성능 촉매 설계에 활용할 수 있는 연구결과를 내놨다고 8일 밝혔다.

연구진은 금속·산화물 계면에서 촉매 화학 반응 과정 원리를 알아내고, 뜨거운 전자가 촉매 선택도를 높이는 결정적 요소라는 것을 입증했다.

뜨거운 전자는 분자의 흡착, 화학 촉매 반응, 빛의 흡수와 같은 외부 에너지가 금속 표면에 전달될 때, 화학 에너지의 순간적인 전환과정에서 에너지가 올라간 상태의 전자이다. 태양광을 전기에너지로 전환하는 데 사용되는 매개체로도 사용된다.

백금 나노선을 타이타니아에 증착시켜 만든 뜨거운 전자 촉매소자와 이를 이용한 온실가스 저감원리의 모식도.(자료=한국과학기술원)

지구온난화 문제의 핵심인 이산화탄소 배출을 줄이고, 부가가치가 높은 화학연료를 더 만들기 위해선 열역학적인 장벽을 뛰어넘어 높은 선택도를 지닌 촉매를 개발해야 한다.

연구팀은 백금 나노선을 티타늄 산화물에 접합해 ‘금속 나노선·산화물 계면’이 제어되는 촉매를 만들고, 금속 나노선·산화물 계면 기반의 ‘뜨거운 전자 촉매소자’를 활용해 실시간으로 전자의 이동을 관찰했다.

그 결과, 금속·산화물 계면이 형성되면 메틸 포르메이트의 생성효율이 높아지고, 이산화탄소 생성이 감소하는 것으로 나타났다.

연구팀은 계면에서 증가한 촉매 성능을 실험하고, 이론으로도 입증했다. 금속 나노선·산화물 계면에서 증폭된 촉매 선택도가 계면에서 다른 촉매 반응 구조에서 발생한다는 사실을 양자역학 모델링 계산 결과와 비교해 증명했다.

박정영 교수는 “뜨거운 전자와 금속 나노선·산화물 계면을 이용해 온실가스인 이산화탄소 생성을 줄이고 고부가 가치 화학연료의 생성을 증대시킬 수 있다”며 “에너지 전환, 차세대 촉매 개발에 이용하고, 지구온난화의 주원인인 온실가스를 저감하는데 활용할 수 있을 것”이라고 했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 지난 4일자로 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)